其他现代加工方法

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1、第 九 章 其 他 现 代 加 工 方 法第 一 节 化 学 加 工第 二 节 等 离 子 加 工第 三 节 挤 压 珩 磨第 四 节 水 射 流 切 割第 五 节 磁 性 磨 料 研 磨 和 磁 性 磨 料 电 解 研 磨 加 工第 六 节 铝 合 金 微 弧 氧 化 表 面 陶 瓷 化 处 理 技 术 第 一 节 化 学 加 工Chemical Machining， CHM 利 用 酸 、 碱 或 盐 的 溶 液 对 工 件 材 料 的 腐蚀 溶 解 作 用 ， 以 获 得 所 需 形 状 、 尺 寸 或表 面 状 态 的 工 件 的 特 种 加 工 应 用 ： 化 学 铣 切 光 化 学

2、 腐 蚀 化 学 抛 光 化 学 镀 膜 一 、 化 学 铣 切Chemical Milling， CHM (一 ） 化 学 铣 切 的 原 理 、 特 点 、 应 用 范 围 1、 原 理 ： 大 面 积 、 深 尺 寸 的 化 学 蚀 刻 2、 特 点 优 点 ： 加 工 任 何 难 切 削 金 属 适 于 大 面 积 加 工 、 多 件 加 工 加 工 中 无 应 力 、 裂 纹 、 毛 刺 ， Ra2.5-1.5 加 工 操 作 技 术 简 单 2、 特 点 缺 点 不 适 宜 加 工 窄 而 深 的 槽 和 型 孔 ， 难 以 加 工 出 尖角 或 深 槽 原 材 料 中 缺 陷 和

3、 表 面 不 平 度 、 划 痕 等 不 易 消 除 腐 蚀 液 对 设 备 和 人 体 有 危 害 、 不 环 保 化 学 铣 削 不 适 合 于 加 工 疏 松 的 铸 件 和 焊 接 的 表面 不 高 ， 一 般 为 0.05 0.15毫 米 3、 应 用 范 围 化 学 铣 削 适 合 于 在 薄 板 、 薄 壁 零 件 表 面上 加 工 出 浅 的 凹 面 和 凹 槽 如 飞 机 的 整 体 加 强 壁 板 、 蜂 窝 结 构 面 板 、 蒙皮 和 机 翼 前 缘 板 等 。 用 于 减 小 锻 件 、 铸 件 和 挤 压 件 局 部 尺 寸的 厚 度 ， 以 及 蚀 刻 图 案 等

4、 ， 加 工 深 度 一般 小 于 13毫 米 。 （ 二 ） 、 工 艺 过 程 1、 工 件 表 面 预 处 理 、 涂 保 护 胶 、 固 化 、刻 型 、 腐 蚀 、 清 洗 和 去 保 护 层 等 工 序 2、 保 护 胶 一 般 用 氯 丁 橡 胶 或 丁 基 橡 胶 等 3、 刻 型 一 般 用 小 刀 沿 样 板 轮 廓 切 开 保 护层 ， 并 使 之 剥 除 二 、 光 化 学 腐 蚀 加 工Optical Chemical Machining， OCM 照 相 复 制 和 化 学 腐 蚀 相 结 合 的 技 术 ， 在工 件 表 面 加 工 出 精 密 复 杂 的 凹 凸

5、 图 形 ，或 形 状 复 杂 的 薄 片 零 件 的 化 学 加 工 法 包 括 光 刻 、 照 相 制 版 、 化 学 冲 切 (或 称 化学 落 料 )和 化 学 雕 刻 等 与 化 学 蚀 刻 区 别 ： 不 用 人 工 刻 形 、 划 线 ， 用 照 相 感 光 确 定 工 件表 面 要 蚀 刻 的 图 形 （ 一 ） 照 相 制 版 原 理 和 工 艺1、 原 理利 用 照 相 复 制 和 化 学 腐 蚀 相 结 合 的 技 术 制 取 金 属印 刷 版 的 化 学 加 工 方 法光 刻 和 化 学 雕 刻 等 加 工 工 艺 的 基 础 2、 工 艺 过 程过 程 ：1） 把 所

6、 需 文 字 和 图 像 按 要 求 缩 放 到 底 片 上， 再 将 底 片 贴 合 在 涂 有 感 光 胶 的 金 属 板 上 进 行 曝光 ， 经 过 显 影 在 金 属 板 上 形 成 所 需 要 文 字 或 图 像的 感 光 胶 膜2） 对 胶 膜 进 行 抗 蚀 性 处 理 ， 使 之 成 为 一 种有 很 强 的 耐 酸 碱 性 、 有 光 泽 的 珐 琅 质 薄 层 。3） 再 将 金 属 板 浸 入 硝 酸 或 三 氯 化 铁 溶 液 中， 无 珐 琅 质 胶 膜 的 金 属 表 面 便 被 腐 蚀 溶 解 ， 形 成凸 出 的 文 字 或 图 像 的 印 刷 版 （ 二 ）

7、 光 刻 加 工 的 原 理 和 工 艺1.原 版 制 作2.光 刻涂 胶暴 光显 影 与 烘 片刻 蚀剥 膜 与 检 查 光 学 光 刻原 理 与 印 像 片相 同 ， 只 是用 涂 覆 了 感光 胶 (抗 蚀 剂)的 硅 片 取 代了 相 纸 ， 掩模 版 取 代 了底 片 。 UV光 母 板掩 膜光 刻 胶S iO2光 刻 胶SiO2 曝 光 ： 将 掩 模 覆 盖 在 涂 有 光 刻 胶 的 硅 片 上 ，掩 模 相 当 于 照 相 底 片 ， 一 定 波 长 的 光 线 通 过这 个 “ 底 片 ” ， 使 光 刻 胶 获 得 与 掩 模 图 形 同样 的 感 光 图 形 。 显 影

8、 与 后 烘 ： 曝 光 之 后 进 行 显 影 、 定 影 、 坚膜 等 步 骤 ， 在 光 刻 胶 膜 上 有 的 区 域 被 溶 解 掉， 有 的 区 域 保 留 下 来 ， 形 成 了 版 图 图 形 。 刻 蚀 ： 把 经 曝 光 、 显 影 后 光 刻 胶 微 图 形 中 下层 材 料 的 裸 露 部 分 去 掉 ， 即 在 下 层 材 料 上 重现 与 光 刻 胶 相 同 的 图 形 。 光 刻 工 艺 图 示 涂 光 刻 胶 曝 光 显 影 与 后 烘 腐 蚀 剥 胶 光 刻 加 工 过 程 第 二 节 等 离 子 加 工Plasma Arc Machining， PAM一 、

9、 基 本 原 理 1、 等 离 子 体 ： 高 温 电 离 的 气 体 气 体 原 子 或 分 子 在 高 温 下 获 得 能 量 后 离 解 成带 正 电 荷 的 离 子 和 带 负 电 的 自 由 电 子 整 体 正 负 电 荷 数 值 相 等 2、 等 离 子 弧 加 工 利 用 电 弧 放 电 使 气 体 电 离 成 过 热 的 等 离子 气 体 流 束 ， 靠 局 部 熔 化 及 气 化 来 去 除材 料 精 密 等 离 子 弧 切 割 割 嘴 原 理a） 普 通 双 气 等 离 子 弧 切 割 b） 精 密 等 离 子 弧 切 割 第 三 节 挤 压 珩 磨 又 称 为 流 动 磨

10、 料 加 工 ， 主 要用 于 复 杂 零 件 内 外 表 面 的 抛光 及 去 毛 刺 。 采 用 一 种 含 有 磨 料 的 具 有 粘弹 性 的 物 质 做 为 挤 压 珩 磨 介质 ， 在 一 定 压 力 下 强 迫 在 被加 工 表 面 流 过 ， 由 磨 料 颗 粒的 刮 削 作 用 去 除 工 件 表 面 微观 不 平 材 料 的 加 工 方 法 挤 压 珩 磨 应 用 q 工 作 原 理 ：q 加 工 装 置q 喷 嘴 材 料 及 工 作 条 件 项 目 材 料 孔 径 /mm 至 工 件 距 离 /mm 喷 射 角 度 /参 数 金 刚 石 ， 蓝 宝石 ， 淬 火 钢 0.

11、075 0.4 2.5 50 0 30利 用 超 高 压 水 （ 或 水 与 磨 料 的 混 合 液 ） 对 工 件进 行 切 割 （ 或 打 孔 ） ， 又 称 高 压 水 切 割 ， 或“ 水 刀 ” 。 数 控 设 备 控 制 下 ， 进 行 任 意 图 案 切 割 ； 高 压 元 件 质 量 可 靠 ， 易 损 件 质 优 价 廉 ， 维 修 成 本 低 ； 钻 孔 及 切 割 功 能 设 备 可 一 次 完 成 ， 降 低 切 割 成 本 ； 加 工 一 次 成 型 ， 切 口 光 滑 ， 可 节 省 时 间 及 制 造 成 本 ； 无 毒 害 、 无 粉 尘 、 无 污 染 ， 为

12、 操 作 人 员 提 供 更 健 康 的工 作 环 境 ； 切 缝 窄 ， 可 减 少 大 量 废 弃 材 料 的 产 生 ； 相 对 其 它 同 类 切 割 设 备 ， 加 工 成 本 低 廉 。 根 据 设 计 及 工 件 材 质 的 不 同 ， 可 以 非 常 方 便 、 快 捷 的进 行 调 整 ， 极 大 的 缩 短 从 接 单 至 成 品 产 出 的 时 间 ， 为您 的 企 业 带 来 更 多 的 商 机 和 更 大 的 利 润 。 切 割 精 度 ： 0.051-0.254mm,取 决 于 机 器 精 度 、 切 割工 件 大 小 及 厚 度 。 切 割 缝 隙 ： 与 工 作

13、 材 质 大 小 厚 薄 和 喷 嘴 有 关 。 纯 水切 割 之 切 口 约 为 0.1-1.1mm， 磨 料 水 混 流 切 割 之 切 口约 为 0.8-1.8mm。 磨 料 管 的 直 径 扩 口 ， 切 口 愈 大 。 切 割 产 生 的 斜 边 ： 取 决 于 切 割 速 度 。 好 的 切 割 品 质单 侧 斜 边 为 0.076-0.102mm。 应 用 ： 复 杂 曲 线 图 案 、 厚 、 脆 、 易 碎 、 怕 热 及 多 种材 质 复 合 之 材 料 。 高 压 水 射 流 切 割 大 理 石 高 压 水 射 流 加 工 的 零 件钻 削 的 0.8mm 孔 切 割 7

14、cm 厚 不 锈 钢 微 小 零 件 铣 削 第 五 节 磁 性 磨 料 研 磨和 磁 性 磨 料 电 解 研 磨 加 工 通 过 在 磁 场 作 用 下 形 成 的 磁 流 体 使 悬 浮 其 中 的非 磁 性 磨 粒 能 在 磁 流 体 的 流 动 力 和 浮 力 作 用 下压 向 旋 转 的 工 件 进 行 研 磨 和 抛 光 ， 从 而 能 提 高精 整 加 上 的 质 量 和 效 率 可 以 获 得 Ra0.01m的 无 变 质 层 的 加 上 表 面 ，并 能 研 抛 复 杂 表 面 形 状 的 工 件 。 由 于 磁 场 的 磁力 线 及 由 其 形 成 的 磁 流 体 本 身

15、不 直 接 参 与 材 料的 去 除 故 称 之 为 磁 场 辅 助 加 工 1.磁 性 浮 动 抛 光利 用 磁 流 体 向 强 磁 场 方 向 移 动 ，而 非 磁 性 磨 粒 被 排 斥 向 磁 感 应强 度 较 弱 的 方 向 的 特 性 ， 使 悬浮 于 磁 流 体 中 的 磨 料 分 离 出 来富 集 在 一 起 。 磨 料 在 磁 浮 力 作用 下 ， 上 浮 压 向 运 动 的 工 件 。 1主 轴 2驱 动 轴 3导 向环 4磁 流 体 和 磨 料 5橡胶 环 6陶 瓷 球 7浮 体 8铝 座 9磁 铁 10钢 磁 轭 2.磁 性 磨 料 精 整 加 工 磁 性 磨 料 在

16、磁 极 N-S之 间 沿 着 磁 力 线有 序 地 相 互 链 接 在一 起 ， 聚 集 成 一 层弹 性 的 磁 性 磨 料 刷 ，当 工 件 与 它 作 相 对运 动 时 ， 就 进 行 研抛 加 工 微 弧 阳 极 氧 化 微 弧 阳 极 氧 化 是 将 铝 及 铝 合 金 零 件 置 于 溶 液 中 ， 在 电极 间 施 加 高 电 压 ， 使 其 表 面 微 孔 中 产 生 火 花 或 微 弧 放 电 ，从 而 生 成 氧 化 铝 陶 瓷 膜 层 的 新 技 术 。 微 弧 阳 极 氧 化 又 称 阳极 脉 冲 陶 瓷 化 、 阳 极 火 花 沉 积 或 微 等 离 子 体 氧 化

17、。 第 六 节 铝 合 金 微 弧 氧 化 表 面 陶瓷 化 处 理 技 术 1 特 点 和 应 用 铝 及 铝 合 金 微 弧 阳 极 氧 化 与 硬 质 阳 报 氧 化 相 比 ， 无 论 在 氧化 工 艺 上 或 膜 层 性 能 上 都 有 许 多 优 越 之 处 。 微 弧 氧 化 的 工 艺流 程 简 单 ， 除 油 后 即 可 氧 化 ； 适 用 范 围 广 ， 除 铝 及 铝 合 金 、铝 基 复 合 材 料 外 ， 还 能 在 钛 、 镁 、 锆 、 钽 、 铌 等 金 属 及 其 合金 表 面 生 成 氧 化 陶 瓷 层 ； 氧 化 速 度 快 ， 通 常 30min60mi

18、n可取 得 膜 层 厚 度 50 m ； 溶 液 无 侵 蚀 性 ， 对 环 境 基 本 无 污 染 。 微 弧 阳 极 氧 化 形 成 的 陶 瓷 膜 层 具 有 伏 良 的 综 合 性 能 ： (1) 耐 蚀 性 能 高 ， 经 5 NaCl中 性 盐 雾 腐 蚀 试 验 ， 其 耐 蚀 能力 达 1000h以 上 。 (2) 硬 度 高 ， 耐 磨 性 好 ， 膜 层 硬 度 高 达 H V8002500， 取决 于 材 料 及 工 艺 ， 明 显 高 于 硬 质 阳 极 氧 化 。 磨 损 试 验 表 明 陶瓷 膜 具 有 与 硬 质 合 金 相 当 的 耐 磨 性 能 ， 比 硬 铬

19、 镀 层 高 75 以上 ； 陶 瓷 膜 还 具 有 摩 擦 系 数 较 低 的 特 点 。 (3) 电 绝 缘 性 能 好 ， 体 绝 缘 电 阻 率 可 达 5 1010 cm， 在干 燥 空 气 中 的 击 穿 电 压 为 3000V5000V。 (4) 导 热 系 数 小 ， 膜 层 具 有 良 好 的 隔 热 能 力 。 (5) 外 观 装 饰 性 好 ， 可 按 使 用 要 求 大 面 积 加 工 成 各 种 不同 颜 色 及 不 同 花 纹 的 膜 层 。 微 弧 阳 极 氧 化 新 技 术 问 世 以 来 ， 虽 尚 未 投 入 大 规 模 生 产 ，但 已 引 起 人 们 的

20、 普 遍 关 注 ， 在 许 多 工 业 领 域 有 着 广 阔 的 应 用 前景 。 航 空 、 航 天 、 石 油 、 化 工 等 部 门 应 用 的 铝 合 金 零 部 件 ， 如叶 片 、 轮 箍 、 传 动 元 件 、 气 动 元 件 及 密 封 件 等 经 微 弧 氧 化 后 ，表 面 耐 蚀 性 、 耐 磨 性 明 显 提 高 。 电 子 、 电 工 产 品 及 仪 器 、 仪 表中 的 某 些 零 件 应 用 微 弧 氧 化 直 接 进 行 绝 缘 处 理 ， 以 取 代 包 覆 绝缘 材 料 的 常 规 方 法 。 空 压 机 铝 气 缸 覆 盖 50 m 80 m微 弧 氧

21、化 膜 ， 性 能 优 于 硬 质 氧 化 膜 。 在 汽 车 发 动 机 活 塞 上 制 备 80 m 100 m的 陶 瓷 膜 层 ， 具 有 耐 烧 蚀 、 耐 磨 损 和 隔 热 的 优 异 性 能 ，应 用 效 果 很 好 。 纺 织 机 械 行 业 也 有 不 少 关 键 性 铝 合 金 零 件 ， 如气 纺 机 的 纺 杯 、 倍 捻 机 转 杯 及 储 纱 轮 等 在 试 验 或 试 用 陶 瓷 膜 。电 熨 斗 底 板 进 行 微 弧 氧 化 处 理 ， 可 起 耐 磨 、 耐 热 和 绝 缘 作 用 。 2 微 弧 氧 化 膜 的 形 成 通 常 阳 极 氧 化 是 在 电

22、 压 电 流 曲 线 的 法 拉 第 区 进 行的 。 当 外 加 电 压 继 续 增 加 则 进 入 非 法 拉 第 区 (火 花 放 电区 )， 将 发 生 氧 化 膜 被 击 穿 ， 阳 极 氧 化 无 法 进 行 下 去 。微 弧 氧 化 突 破 传 统 阳 极 氧 化 的 限 制 ， 利 用 电 极 间 施 加 很高 的 电 压 ， 使 浸 于 溶 液 中 的 电 极 表 面 发 生 微 弧 放 电 而 生成 氧 化 膜 。 微 弧 阳 极 氧 化 的 机 理 至 今 尚 在 探 讨 之 中 ， 对 其 进 行确 切 的 叙 述 尚 有 困 难 ， 可 以 认 为 其 最 重 要 的

23、 标 志 是 火 花 或微 弧 放 电 现 象 。 实 验 表 明 ， 微 弧 氧 化 过 程 中 表 面 产 生 的 现象 ， 有 明 显 的 阶 段 性 ， 经 历 初 始 态 绝 缘 膜 的 形 成 ， 微 弧 的发 生 ， 陶 瓷 结 构 的 发 育 ， 以 及 膜 层 的 成 长 等 几 个 阶 段 。最 初 阶 段 ， 材 料 表 面 有 大 量 气 泡 产 生 ， 金 属 光 泽 逐渐 消 失 ， 在 电 场 作 用 下 表 面 生 成 一 层 具 有 电 绝 缘 特 性 的Al 2O3氧 化 膜 。 随 着 时 间 的 延 长 ， 膜 厚 逐 渐 增 加 ， 其 承 受的 电

24、压 也 越 来 越 大 ， 再 加 上 材 料 表 面 有 大 量 气 体 生 成 ， 为等 离 子 体 的 产 生 创 造 了 条 件 。 第 二 阶 段初 生 的 氧 化 膜 被 高 压 击 穿 ， 材 料 表 面 形 成 大 量 的 等离 子 体 微 弧 ， 可 以 观 察 到 不 稳 定 的 白 色 弧 光 。 此 时 在 电 场作 用 下 新 的 氧 化 物 不 断 生 成 ， 氧 化 膜 的 薄 弱 区 不 断 变 化 ，白 色 弧 光 点 似 乎 在 表 面 高 速 游 动 。 同 时 ， 在 微 等 离 子 体 的作 用 下 又 形 成 瞬 间 的 高 温 高 压 微 区 ，

25、其 温 度 达 2000 以 上 ，压 力 达 数 百 个 大 气 压 ， 造 成 氧 化 膜 熔 融 。 等 离 子 体 微 弧 消失 后 ， 溶 液 很 快 将 热 量 带 走 ， 熔 融 物 迅 速 凝 固 ， 在 材 料 表面 形 成 多 孔 状 氧 化 膜 。 如 此 循 环 反 复 ， 微 孔 自 身 扩 大 或 与其 他 微 孔 连 成 一 体 ， 形 成 导 电 通 道 ， 从 而 出 现 较 大 的 红 色 光 泽 的 弧 斑 。 第 三 阶 段氧 化 进 一 步 向 深 层 渗 透 。 一 段 时 间 后 ， 内 层 可 能再 次 形 成 较 完 整 的 A12O3电 绝

26、缘 层 ， 随 着 氧 化 膜 的 加 厚 ，微 等 离 子 体 造 成 的 熔 融 氧 化 物 凝 固 后 可 能 在 表 面 形 成 较完 整 的 凝 固 结 晶 层 ， 造 成 较 大 孔 径 ， 导 电 通 道 封 闭 ， 使红 色 弧 斑 减 少 直 至 消 失 。 然 而 ， 微 等 离 子 体 现 象 依 然 存在 ， 氧 化 并 未 终 止 ， 进 人 第 四 阶 段 即 氧 化 、 熔 融 、 凝 固平 稳 阶 段 。 在 铝 合 金 表 面 上 形 成 的 微 弧 氧 化 膜 是 由 结 合 层 、 致 密 层和 表 面 层 三 层 结 构 组 成 ， 层 与 层 之 间

27、无 明 显 界 限 ， 总 厚 度一 般 为 20 m 200 m ， 最 厚 可 达 400 m 。 三 层 结 构 中均 含 有 大 量 的 A12O3， 和 A12O3。 致 密 层 中 的 A12O3， 可 达 60 以 上 ， 硬 度 可 高 达 H V3700， 很 耐 磨 。 表面 层 较 粗 糙 疏 松 ， 可 能 是 由 微 弧 溅 射 物 和 电 化 学 沉 积 物 所形 成 。 3 工 艺 要 点 (1)工 艺 方 法 根 据 微 弧 阳 极 氧 化 过 程 中 零 件 所 处 的 极化 形 式 可 分 为 ： 直 流 型 采 用 恒 值 电 压 ， 零 件 为 阳 极

28、；交 流 型 采 用 不 规 则 正 弦 波 电 压 ， 零 件 的 极 性 呈 周 期 性变 化 ； 阳 极 脉 冲 型 采 用 脉 冲 或 直 流 加 脉 冲 的 电 压 形 式 ，零 件 为 阳 极 ； 交 变 脉 冲 型 正 负 脉 冲 电 压 按 一 定 的 方 式交 替 地 施 加 在 零 件 上 。 (2)工 艺 流 程 一 般 零 件 的 工 艺 流 程 为 ： 化 学 除 油 水 洗 去 离 子 水 洗 微 弧 氧 化 水 洗 干 燥 。 (2)设 备 微 弧 氧 化 设 备 主 要 包 括 专 用 电 源 、 电 解 槽 、 冷却 系 统 和 搅 拌 系 统 。 其 具 体

29、 要 求 应 根 据 工 艺 方 法 及 生 产 规 模确 定 。 (3)溶 液 溶 液 配 方 应 有 利 于 维 持 氧 化 膜 及 随 后 形 成 的 陶瓷 氧 化 层 的 电 绝 缘 性 ， 又 有 利 于 抑 制 微 弧 氧 化 产 物 的 溶 解 。在 大 多 数 情 况 下 采 用 弱 碱 性 溶 液 ， 其 pH 值 为 811， 有 磷 酸 盐 、硅 酸 盐 、 柠 檬 酸 盐 、 铝 酸 盐 等 不 同 体 系 ， 必 要 时 可 加 入 少 量无 机 或 有 机 添 加 剂 以 改 善 氧 化 层 的 性 质 。 (4)工 作 电 压 微 弧 氧 化 通 常 采 用 较

30、高 的 工 作 电 压 ， 范围 也 比 较 宽 ， 从 最 小 100V至 高 达 1000V以 上 。 选 择 工 作电 压 的 基 本 原 则 是 ： 既 要 保 证 在 氧 化 过 程 中 尽 可 能 长 时间 地 维 持 发 育 良 好 的 火 花 或 电 弧 现 象 ， 又 要 防 止 电 压 过高 而 引 发 破 坏 性 电 弧 的 出 现 。 直 流 法 选 用 的 工 作 电 压 相对 要 低 一 些 ； 交 流 法 则 可 采 用 较 高 的 工 作 电 压 。 (5)温 度 与 硬 质 阳 极 氧 化 相 比 ， 微 弧 阳 极 氧 化 对 环 境温 度 的 要 求 并 不 苛 刻 。 溶 液 温 度 在 60 以 下 均 可 正 常 工作 ， 但 因 其 自 身 的 特 点 ， 必 须 考 虑 热 量 及 时 排 除 ， 使 整个 氧 化 过 程 中 的 温 度 尽 可 能 保 持 一 致 。